南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 竇淑婷 王馨怡 陳 樂 孔奕豪 曾宇樂

1 目的及意義

隨著航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，航空運(yùn)輸在國(guó)家經(jīng)濟(jì)中的作用日漸增加，航空事故也因此受到越來越多的高度重視和密切的關(guān)注度。機(jī)艙作為特殊的有限空間，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且艙內(nèi)的通道較窄。一旦發(fā)生特殊情況，其應(yīng)對(duì)的處理時(shí)間和空間是有限的。

本款軟件的研究開發(fā)通過計(jì)算機(jī)仿真，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)為載體組建一款虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)聯(lián)的第一人稱視角游戲，通過對(duì)各種突發(fā)情況進(jìn)行三維仿真模擬，可以讓人員體驗(yàn)接近實(shí)際的人機(jī)交互性的航空器逃生模擬演練。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

飛機(jī)失事常在極短的時(shí)間內(nèi)，旅客生還的概率將近不可能。飛機(jī)中存在的“黑色10min”，是指絕大多數(shù)空難事件都發(fā)生在飛機(jī)起飛階段前的三分鐘和著落階段時(shí)間的7min內(nèi)。但空難一旦發(fā)生，留給旅客的逃離時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有7min這么長(zhǎng)。此外，在國(guó)內(nèi)外研究方面，目前中國(guó)民航界內(nèi)尚無針對(duì)飛行逃生的專門模擬軟件和自由操作的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)專項(xiàng)逃生教學(xué)訓(xùn)練軟件，僅有理論培訓(xùn)用的書籍。我國(guó)對(duì)于該項(xiàng)目技術(shù)的研究還處于空白領(lǐng)域。而國(guó)外開發(fā)出的prepare for impact，達(dá)到了一定的技術(shù)水平。

3 關(guān)于“天際逃生”軟件的設(shè)計(jì)

飛機(jī)機(jī)艙實(shí)時(shí)交互式虛擬人機(jī)環(huán)境給乘客提供一個(gè)虛擬的可人機(jī)交互的飛機(jī)機(jī)艙環(huán)境和虛擬三維視景環(huán)境。我們將從以下幾個(gè)方面分項(xiàng)研究：

3.1 軟件設(shè)計(jì)

（1）確定虛擬飛機(jī)機(jī)艙的各項(xiàng)設(shè)施布局和軟件的框架。（2）研究采用Unity3D開發(fā)二維虛擬飛機(jī)外部模型，各項(xiàng)飛機(jī)內(nèi)部設(shè)施和安全通道和廣播等模型。（3）對(duì)人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)方式一鼠標(biāo)控制和鍵盤控制人物進(jìn)行操作，聽從系統(tǒng)的指令其中重點(diǎn)研究對(duì)逃生人員的不同逃生方式的仿真方法。（4）研究虛擬三維機(jī)艙視景環(huán)境的建模原則和軟件開發(fā)流程。（5）研究三維機(jī)艙視景程序的設(shè)計(jì)。（6）研究空中飛機(jī)艙內(nèi)廣播系統(tǒng)的逃生路線人機(jī)交互邏輯功能和仿真方法。（7）進(jìn)行軟件測(cè)試和驗(yàn)證。

3.2 游戲設(shè)計(jì)

場(chǎng)景構(gòu)思：第一步，選取一些在新聞報(bào)道中較為常見的飛行事故場(chǎng)景，接下來以客艙著火這種緊急情況為例，將之作為玩家所乘坐航班的事故情境。第二步，思考飛機(jī)客艙中可能出現(xiàn)的可燃物，搜集可查閱到的客艙起火的案例，從而尋找發(fā)生著火次數(shù)較多的可燃物。可以觀察到，近年來，旅客隨身攜帶的充電寶、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)著火次數(shù)較多，燃燒會(huì)引起濃煙且可能含有有毒物質(zhì)，從而阻礙機(jī)上人員逃生。

人物設(shè)定與操作流程：如飛機(jī)因故障必須迫降時(shí)，機(jī)上乘客應(yīng)保持鎮(zhèn)定，如需緊急撤離，乘客不要攜帶任何行李，從行李箱內(nèi)取行李耽誤時(shí)間，行李脫落會(huì)砸傷人，脫落行李堵塞過道影響緊急撤離的速度，這時(shí)是以秒為計(jì)算單位的。

（1）正確的自救措施

第一步，不要大聲呼叫，防止有毒氣體吸入。在聽到撤離指令前乘客做防撞擊姿勢(shì)：把頭保持在扶手水平上，把頭部放在手上（即彎腰低頭，緊迫用力。Heads down，brace?。５诙?，在聽到撤離指令后，乘客不要攜帶任何行李，應(yīng)用濕毛巾來捂住口鼻，若沒有濕毛巾則可用裝滿水的冰桶將衣物手帕等弄濕，遮在口鼻處。第三步，撤離時(shí)應(yīng)當(dāng)彎下腰，根據(jù)機(jī)上乘務(wù)員的安排盡快從安全出口撤離，下飛機(jī)后應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離飛機(jī)100m外。

玩家操作的人物為飛機(jī)上的一名普通乘客，當(dāng)發(fā)生事故時(shí)開始游戲。

（2）逃生的注意事項(xiàng)

逃生中最重要的是清楚距離最近的緊急出口位置。乘客上飛機(jī)后，先了解自己的座位與安全出口之間隔多少排。這樣即使機(jī)艙內(nèi)充滿毒霧，也可以摸著邊緣找尋出口。

在著陸時(shí)乘客坐在座位上，應(yīng)把手交叉放在前面座位上，頭部靠手，在飛機(jī)著陸前乘客需要一直保持這個(gè)姿勢(shì)。

（3）游戲操作步驟

第一步，乘客開始登機(jī)，并安排好座位，畫面顯示飛機(jī)起飛的過程。在飛行過程中由于故障，緊急迫降，氧氣面罩自動(dòng)脫落，乘客根據(jù)乘務(wù)員指示正確佩戴面罩，保持鎮(zhèn)定。客艙內(nèi)開始播放廣播，告知乘客需要緊急撤離，飛機(jī)艙門立刻打開，逃生梯打開。

第二步，乘客根據(jù)廣播和機(jī)組人員的指示下，玩家盡量在14s的黃金時(shí)間內(nèi)需要依次完成卸下氧氣面罩、選擇逃離姿態(tài)（W 正常走、Shift+W 加速跑、E彎腰前進(jìn)（如圖1））等操作，直至跑到安全地帶。

圖1 事故發(fā)生后彎腰前進(jìn)

第三步，根據(jù)玩家的逃生時(shí)長(zhǎng)，對(duì)玩家的操作的完成度和持續(xù)時(shí)間對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)操作流程（SOP）和黃金時(shí)間給予評(píng)價(jià)，最終生成逃生報(bào)告，其中報(bào)告等級(jí)分為“無傷、輕傷、重傷與失敗”。

4 計(jì)算機(jī)視覺的技術(shù)利用

4.1 航空領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用

我們通過研究開發(fā)計(jì)算機(jī)視覺在航空領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用—以研究熱點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和模擬仿真技術(shù)在飛行教學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用，也是今后時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)?！疤摂M現(xiàn)實(shí)”（Virtual Reality VR）是指仿真的網(wǎng)絡(luò)世界是人為創(chuàng)造的，非現(xiàn)實(shí)的，并非是發(fā)生在現(xiàn)實(shí)的；以“現(xiàn)實(shí)”兩字表達(dá)出來進(jìn)入局部人造世界的人在視覺效果上是與進(jìn)入真實(shí)的世界相近。這種新計(jì)算機(jī)表達(dá)形式，給用戶模擬出一種將近真實(shí)的體驗(yàn)，通過視覺、聽覺、感覺等感官，進(jìn)行人機(jī)智能交互，為使用者提供最佳的人機(jī)交互方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我們的逃生游戲中應(yīng)用的重點(diǎn)在于其可交互性。

4.2 模型的建立

首先我們建立了三維的機(jī)艙物理模型（如圖2），主要包括了所選研究飛機(jī)的外部構(gòu)造，內(nèi)部設(shè)施及逃生場(chǎng)景的設(shè)定。結(jié)合機(jī)艙布置圖，機(jī)艙位置布置圖和開發(fā)軟件的建模特點(diǎn)，對(duì)該艙結(jié)構(gòu)和機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分配，并據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)逃生演練模擬過程。最后對(duì)人員逃生的模擬計(jì)算設(shè)定條件，并對(duì)逃生場(chǎng)景進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)定如果出現(xiàn)緊急情況，聽從設(shè)定廣播的安全指令從相應(yīng)的逃生出口撤離，同時(shí)保持客艙秩序。

圖2 飛機(jī)外部物理模型的構(gòu)建

Unity的人物要求是有骨骼以及動(dòng)畫設(shè)置的，需要我們對(duì)人物的頭部、四肢、身體以及十指進(jìn)行一一設(shè)置（如圖3），每一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行錄制，擺正每一個(gè)動(dòng)作所需要的骨骼位置。一個(gè)人物的動(dòng)作多達(dá)10個(gè)，我們的游戲涉及到對(duì)13個(gè)人物物理模型的建立，人物物理模型建模完成后，我們將所需的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity，然后開始編程，設(shè)置人物的動(dòng)態(tài)及行動(dòng)。在此期間我們用簡(jiǎn)單的語(yǔ)句來編寫設(shè)計(jì)，建立屬于自己的族和類，這樣也就大大的減少了程序運(yùn)行空間的浪費(fèi)。

圖3 人像三維物理模型的建立

其次對(duì)于詳細(xì)的飛機(jī)事故如飛機(jī)內(nèi)部如失火，煙霧產(chǎn)生的毒氣體危險(xiǎn)非常大，旅客須禁止大聲叫喊，并且不要打開通風(fēng)口，這樣會(huì)增加對(duì)有害氣體的吸入。也不能造成慌亂全都涌向飛機(jī)的局部一部分，會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)重心不平衡。逃生時(shí)要降低身體重心，屏住呼吸，或用潮濕的衣物包圍口鼻，防止吸入有害氣體，和平時(shí)建筑火災(zāi)中逃生相似，但嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生爆炸，所以乘客在離開機(jī)艙滑梯后要快速逃離飛機(jī)至100m開外。

4.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)階段有較完善的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用，可以運(yùn)用軟件開發(fā)知識(shí)拓展，其搭載設(shè)備以及相應(yīng)的改裝后可以在更好的環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)。通過C#，Unity3D等編程開發(fā)軟件使虛擬現(xiàn)實(shí)具象化，編程模擬各種飛機(jī)事故場(chǎng)景，以第一人稱視角選擇行動(dòng)路線，最后對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)操作流程（SOP）和黃金時(shí)間給予評(píng)價(jià)；通過VR眼鏡實(shí)現(xiàn)功能的結(jié)合以及提供了行動(dòng)路線的可操作性，真實(shí)模擬飛機(jī)事故逃生。

5 軟件展望

對(duì)于特定的空間環(huán)境模擬，采用計(jì)算機(jī)軟件宜用虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)飛機(jī)事故及機(jī)艙中人員逃生情況進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)機(jī)艙中的一些重要設(shè)施，可高效地指導(dǎo)人員逃生。

結(jié)論：我們應(yīng)該不斷加大虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在民航事業(yè)各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的嘗試力度，而不是僅僅限于飛機(jī)客艙事故逃生，也可以用于對(duì)民航人員的培訓(xùn)、機(jī)場(chǎng)容量利用率等方面。由此可以提高民航業(yè)的安全水平，降低機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行成本，提高旅客的滿意度，讓民航事業(yè)更加智能化。